具有带金属中间层的超硬材料切割元件及其制造方法技术

一种用于将超硬体(比如热稳定多晶金刚石(TSP)体)接合到基底上并减轻在超硬体与基底之间形成高应力集中区域的方法。一种方法包括用中间层覆盖超硬体的至少一部分，将超硬体和中间层放置在模具中，用包括基质材料和粘合剂材料的基底材料填充模具的剩余部分，使得中间层设置在超硬体与基底材料之间，并且将模具加热到配置为熔化粘合剂材料并形成基底的渗透温度。

Superhard material cutting element with metal intermediate layer and manufacturing method thereof

A method for joining a super hard (e.g., a thermally stable polycrystalline diamond (TSP) body) onto a substrate and alleviating a high stress concentration region between the super hardware and the substrate. A method includes using intermediate layer covering at least a portion of the super super hardware, hardware and the middle layer placed in the mold, the remaining part of filling the mold substrate comprising a substrate material and adhesive materials, the middle layer is arranged between the super hardware and the base material, and will penetrate the temperature of the mold is heated to configuration the melting adhesive material and forming substrate.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有带金属中间层的超硬材料切割元件及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求于2014年12月10日提交的美国临时专利申请号62/090063和于2015年12月03日提交的美国专利申请号14/957847的优先权，其通过引用并入本文。
技术介绍
在地下钻井操作(比如用于将钻孔钻入地球以用于回收碳氢化合物(例如油和天然气)的操作)期间使用的切割工具和岩石钻孔工具通常包括钻头体和设置在钻头体上的多个切割元件。这些切割元件由于其良好的耐磨性和硬度特性而通常结合超硬材料，比如多晶金刚石(PCD)。另外，PCD体通常结合或以其它方式联接到基底。这些基底有助于将切割元件附接到钻头体上，比如通过钎焊。传统上通过在高压和高温(HPHT)下烧结与催化剂材料(比如选自周期表第VIII族的金属催化剂)混合的金刚石颗粒来形成PCD体。在HPHT烧结过程中，金刚石颗粒形成金刚石晶体的互连网络，并且催化剂材料渗透并占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔隙。然而，常规的PCD体易于发生热降解，因为催化剂材料具有比金刚石晶体更高的热膨胀系数。特别地，当切割元件经受升高的温度时(比如在钻井操作期间)，催化剂与金刚石晶体之间的热膨胀差异和间隙地设置在金刚石晶体之间的催化剂可以引起PCD体中的热应力和裂纹的形成。这些热应力可能最终导致PCD体中的裂纹的形成和切割元件的过早失效。因此，已经开发了各种技术来产生热稳定的PCD(TSP)。用于形成TSP主体的常规方法包括在金刚石颗粒的HPHT烧结过程中使用非金属催化剂，不使用催化剂的HPHT烧结金刚石颗粒，或用酸浸出常规的PCD体以除去至少一部分形成在结合的金刚石晶体之间的间隙区域中的催化剂材料。另外，预先形成的TSP主体可以通过将TSP主体放置在模具中然后用配置成在受到升高的温度时形成基底的材料填充模具的其余部分而与基底接合。配置成形成基底的材料通常包括基质材料(比如钨或碳化钨)和粘合剂材料(比如钴)。当模具被加热时，粘合剂材料配置成渗入基质材料，从而将基质颗粒结合在一起以形成基底。此外，粘合剂材料配置为通过润湿TSP主体与基底之间的交界面表面并沿着交界面表面填充TSP主体中的金刚石颗粒之间的孔而将基底接合到TSP主体。
技术实现思路
本公开涉及将超硬体连接到基底并减轻在超硬体与基底之间形成高应力集中区域的各种方法。在一个实施例中，该方法包括用中间层覆盖超硬体的至少一部分，将至少部分地被所述中间层覆盖的超硬体放置在模具中，用基底材料填充所述模具的一部分，以及将所述基底材料加热到配置成形成联接到所述超硬体的基底的渗透温度。该方法还可以包括在模具中的位移上支撑超硬体。中间层可以是任何合适的材料，比如钴、镍、铜、其合金、或其任何组合。超硬体可以是任何合适类型的热稳定多晶金刚石(PCD)，比如浸出PCD、非金属催化剂PCD或无催化剂PCD。超硬体可以是热稳定多晶立方氮化硼(PCBN)体。超硬体可以具有大于约4000kg/mm2的硬度。基底材料可以由基质材料和粘合剂材料构成。中间层的熔点可能超过渗透温度，使得中间层在形成基底的任务期间不熔化。中间层的杨氏模量可以小于TSP主体的杨氏模量并且小于基底的杨氏模量。此外，中间层的硬度可以小于超硬体的硬度并且小于基底的硬度。超硬体的任何合适的部分可以被中间层覆盖。该方法可以包括用中间层完全覆盖超硬体。该方法还可以包括用具有第一厚度的第一中间层覆盖超硬体的第一部分，并且用具有不同于第一厚度的第二厚度的第二中间层覆盖超硬体的第二部分。在超硬体是圆柱形并且包括外表面、与外表面相对的内表面和在外表面与内表面之间延伸的圆柱形侧壁的实施例中，该方法可以包括用中间层覆盖超硬体的外表面、内表面和圆柱形侧壁中的每个的至少一部分。中间层可以沿着超硬体的外表面和/或内表面是不连续的。超硬体可以通过任何合适的过程用中间层覆盖。该方法可以包括围绕超硬体的一部分缠绕薄金属带。该方法还可以包括涂覆超硬体，比如通过无电镀、电镀、气相沉积、溅射、喷涂或其任何组合。本公开还涉及超硬切割元件的各种实施例。在一个实施例中，超硬切割元件包括超硬体、联接到所述超硬体的基底、以及至少一个中间层，其超硬体与基底之间并且沿所述超硬体与基底之间的成角度交界面的至少一部分延伸。超硬体可以是圆柱形的，并且包括外表面、与外表面相对的内表面、以及在外表面与内表面之间延伸的圆柱形侧壁。中间层可以覆盖超硬体的外表面、内表面和圆柱形侧壁中的每一个的至少一部分。基底可以覆盖超硬体的外表面、内表面和圆柱形侧壁中的每一个的至少一部分。中间层可以沿着超硬体的外表面和内表面中的至少一个是不连续的。中间层可以包括具有第一厚度的第一中间层和具有不同于第一厚度的第二厚度的第二中间层。中间层的杨氏模量可以小于超硬体的杨氏模量并且小于基底的杨氏模量。中间层的硬度可以小于超硬体的硬度并且小于基底的硬度。中间层可以是任何合适的材料，比如钴、镍、铜、其合金、或其任何组合。超硬体可以是任何合适类型的热稳定多晶金刚石(PCD)，比如浸出PCD、非金属催化剂PCD或无催化剂PCD。中间层可以具有任何合适的厚度，比如约0.001英寸(25.4μm)至约0.005英寸(127μm)。本公开还涉及制造具有联接到基底的超硬体的切割元件的方法。在一个实施例中，该方法包括将超硬体放置在模具中，用基底材料填充模具的一部分，将基底材料加热至配置成形成基底并将基底联接到超硬体的渗透温度，以及去除超硬体的石墨化区域。基底材料可以由基质材料和液化温度为约982℃(约1800°F)或更低的粘合剂材料组成。渗透温度可以约为982℃(约1800°F)或更低，或者可以大于约982℃(约1800°F)。去除超硬体的石墨化区域可以包括去除具有从约0.001英寸(25.4μm)到约0.03英寸(762μm)的深度的超硬体层。另外，去除超硬体的石墨化区域可以包括任何合适的过程，比如碾磨、研磨或其组合。超硬体可以是任何合适类型的热稳定多晶金刚石(PCD)，比如浸出PCD、非金属催化剂PCD或无催化剂PCD。提供了本
技术实现思路
以便介绍在以下详细描述中被进一步描述的概念的选择。本
技术实现思路
并非旨在标识所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。附图说明当结合以下附图考虑时，参考下面的详细描述，本公开的实施例的这些及其它特征和优点将变得更加明显。在附图中，所有图中使用相同的附图标记来引用相似的特征和部件。附图不一定按比例绘制。图1是示出根据本公开的一个实施例的在位移上支撑热稳定多晶金刚石(TSP)体的任务的透视图；图2是示出根据本公开的一个实施例的插入TSP主体和图1的位移进入模具的任务和用基底材料填充模具的任务的剖视图；图3是根据本公开的一种方法形成的超硬切割元件的透视图；图4是描绘在竖直转塔车床(VTL)测试中五种不同TSP主体的性能结果的图；以及图5是根据本公开的一种方法形成的包含超硬切割元件的钻头的透视图。具体实施方式本公开涉及超硬切割元件的各种实施例以及将超硬体(例如热稳定多晶金刚石体)联接到基底以形成超硬切割元件的方法。本公开的实施例还涉及用于在将超硬体联接到基底的过程中减轻在超硬体与基底之间形成高应力集中区域的各种方法。根据本公开的方法形成的超硬切割元件可以结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：用中间层覆盖超硬体的至少一部分；将至少部分地被所述中间层覆盖的超硬体放置在模具中；用基底材料填充所述模具的一部分；以及将所述基底材料加热到渗透温度以形成联接到所述超硬体的基底，其中，所述中间层的熔点超过所述渗透温度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.10 US 62/090,063;2015.12.03 US 14/957,8471.一种方法，包括：用中间层覆盖超硬体的至少一部分；将至少部分地被所述中间层覆盖的超硬体放置在模具中；用基底材料填充所述模具的一部分；以及将所述基底材料加热到渗透温度以形成联接到所述超硬体的基底，其中，所述中间层的熔点超过所述渗透温度。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超硬体选自由浸出多晶金刚石、非金属催化剂多晶金刚石和无催化剂多晶金刚石组成的热稳定多晶金刚石体组。3.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述模具中的位移上支撑所述超硬体。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中间层包括选自由钴、镍、其合金及其组合组成的材料组的材料。5.根据权利要求1所述的方法，其中，覆盖所述超硬体的部分包括用所述中间层完全覆盖所述超硬体。6.根据权利要求1所述的方法，其中，覆盖所述超硬体的部分包括围绕所述超硬体的部分缠绕薄金属带。7.根据权利要求1所述的方法，其中，覆盖所述超硬体的部分包括选自由无电镀、电镀、气相沉积、溅射、喷涂及其组合组成的涂覆过程组的过程。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中间层的杨氏模量小于所述超硬体的杨氏模量并且小于所述基底的杨氏模量。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中间层的硬度小于所述超硬体的硬度并且小于所述基底的硬度。10.一种超硬切割元件，包括：超硬体；联接到所述超硬体的基底；以及至少一个中间层，其沿所述超硬体与基底之间的成角度交界面的至少一部分延伸。11.根据权利要求10所述的超硬切割元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：L赵，X甘，鲍亚华，Y伯哈姆，Y张，J贝尔纳普，Z林，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US